Utilize este identificador para referenciar este registo: http://hdl.handle.net/1822/59043

TítuloCartilage repair: the role of a scaffold in the repair of a cartilage lesion
Outro(s) título(s)Tratamento da lesão da cartilagem: o papel de um scaffold no tratamento da lesão de cartilagem
Autor(es)Gomes, Carlos Alberto Vilela
Orientador(es)Espregueira-Mendes, João
Reis, R. L.
Data9-Nov-2018
Resumo(s)Long-lasting repair of articular cartilage lesions remains a clinical unmet need, despite the multiple distinct approaches clinically implemented in the last decades. Under this thesis, a thorough literature review and analysis was performed in order to understand what the current clinical and scientific practices are, and what are their main reported benefits and limitations, towards identifying new ways to tackle the current limited repair of cartilage lesions. The field of tissue engineering and regenerative medicine has delivered extraordinary findings in subjects such as cell biology, material science, biochemical and biomechanical cues and animal models, allowing the development of innovative and sophisticated solutions, particularly for cartilage repair. When aiming the regeneration of a functional articular cartilage tissue, the presence of healthy chondrogenic cells, at a therapeutically relevant amount, exactly at lesion site, is considered paramount. Several advanced scaffolding systems and surgical approaches have been developed to deliver cells and sustain tissue growth, yet retention of cells in situ has been suboptimal. Herein, the experimental work developed in this thesis explores the potential of a methacrylated gellan gum (GGMA) hydrogel to deliver and retain chondrogenic cells in lesion site, while providing 3D filling of lesion volume during development of the new chondral tissue. In vitro studies showed that GGMA hydrogel at 2% w/V is a suitable scaffold for encapsulation of human chondrogenic cells, such as human chondrocytes or human adipose derived stromal/ stem cells. Cells were maintained viable up to 21 days at densities ranging from 5-10 M/mL and chondrogenic differentiation was demonstrated by high collagen type II over-expression concomitant with low collagen type I. Techniques such as RT-qPCR and immunohistochemistry (IHC) were used to assess chondrogenesis. Such promising in vitro outcomes supported the in vivo performance testing in a rabbit model with an induced critical-size cartilage defect. Herein, autologous adipose derived stromal/stem cells (10 M/mL) were delivered within GGMA 2 % w/V hydrogel by injection into lesion site and allowed for regeneration for 8 weeks. Histological analysis of tissue explants demonstrated new tissue composed by hyaline-like cartilage (stained by safranin O) and collagen type II (identified by IHC). These histological results classified by O’Driscoll scoring were superior than those obtained for lesions treated by the gold-standard microfracture procedure (p<0.05) as well as for the untreated lesions (p<0.001). The gelification characteristics of the GGMA was compatible with an injectable system, which allows its application through the currently well-stablished minimally invasive arthroscopic procedures. Given this, a new surgical tool was developed to allow the hydrogel delivery inside the joint under a standard arthroscopic approach. The device was effective to deliver the methacrylated gellan gum hydrogel directly into the chondral lesion created in a cadaveric joint. The hydrogel was maintained isolated of the liquid arthroscopic environment during gelification time (approximately 5 minutes), avoiding dilution/ dispersion of the hydrogel within the articular cavity. Hydrogel was maintained in lesion site after removal of the device form the joint. The flexible design of the surgical tool allows adoption of additional features and application in distinct settings if further explored. The positive outcomes obtained under this thesis open an exciting route towards more efficacious and less invasive treatment procedure for cartilage repair, which is expected to increase cost effectiveness as compared to current treatment standards.
Apesar das abordagens terapêuticas existentes, as lesões da cartilagem persistem sem uma solução clinicamente satisfatória a longo prazo. Nesta tese é realizada uma profunda revisão e análise bibliográfica das práticas clínicas e científicas correntes, de modo a compreender as suas limitações e explorar novas formas de abordar a lesão da cartilagem. No campo da engenharia de tecidos e medicina regenerativa têm-se testemunhado avanços extraordinários, particularmente em biologia celular e nas ciências dos materiais, no desenvolvimento de modelos animais, mas também na compreensão dos efeitos bioquímicos e biomecânicos, permitindo o desenvolvimento de soluções inovadoras e sofisticadas, especialmente na área da reparação da cartilagem. Quando se ambiciona a regeneração funcional do tecido cartilagíneo, torna-se fundamental garantir a presença de células condrogénicas localizadas com precisão na zona pretendida, e na quantidade terapêutica adequada. Vários sistemas de administração celular in vivo têm sido desenvolvidos, juntamente com estruturas de suporte (scaffolds) ao crescimento celular e tecidular, contudo a retenção destas células no local da lesão durante o tempo necessário à regeneração persiste como sendo sub-óptima. O trabalho experimental desenvolvido no âmbito desta tese, permitiu explorar o potencial do hidrogel de goma gelana metacrilada (GGMA), como agente de entrega e suporte de células condrogénicas no local da lesão de cartilagem, preenchendo volumetricamente a lesão durante o crescimento de novo tecido condral. Os estudos in vitro demonstram a adequabilidade do hidrogel de GGMA 2% p/V no encapsulamento de células condrogénicas humanas, incluindo condrócitos ou células estaminais derivadas do tecido adiposo. As células, encapsuladas a densidades de 5-10 M/mL, mantêm-se viáveis até 21 dias de cultura, demonstrando diferenciação condrogénica através da sobreexpressão de colagénio tipo II concomitante com a sub-expressão de colagénio tipo I. Técnicas como qRT-PCR e imunohistoquimica (IHC) foram utilizadas para estudar a condrogénese. Os resultados promissores obtidos in vitro suportaram a realização do estudo de performance in vivo, onde lesões condrais (consideradas críticas) foram induzidas na zona da tróclea do coelho, sendo o modelo animal recomendado para tais estudos exploratórios. Neste trabalho, células estaminais autólogas derivadas do tecido adiposo (10 M/mL) foram administradas em GGMA no local da lesão, e a regeneração do tecido foi permitida durante 8 semanas. Os resultados histológicos dos explantes revelaram tecido reparado composto por cartilagem tipo hialina (coradas pela Safranina O) e colagénio tipo II (identificado por IHC). Estes resultados histológicos, classificados segundo a escala de O´Driscoll foram superiores aos obtidos com o tratamento standard, microfratura (p>0,05) assim como aos resultados obtidos nas lesões controlo não tratadas (p<0,01). As características de gelificação do GGMA foram compatíveis com um sistema injetável de administração do produto o que permite a sua aplicação num contexto de cirurgia minimamente invasiva. Nesse contexto, um novo instrumento cirúrgico foi desenvolvido de forma a permitir a administração deste composto numa abordagem artroscópica clássica. O dispositivo foi capaz de realizar a administração direta do hidrogel na lesão de cartilagem que tinha sido previamente induzida num joelho de cadáver. O dispositivo permitiu também a manutenção desse hidrogel isolado do meio líquido da artroscopia, durante o tempo necessário para a gelificação do hidrogel no local da lesão (aproximadamente durante 5 minutos), impedindo a diluição / dispersão do hidrogel dentro da cavidade articular. O hidrogel foi mantido no local da lesão depois da retirada do dispositivo. O desenho do dispositivo permite ainda vir a desenvolver outras potencialidades no campo da artroscopia. Os resultados obtidos no âmbito desta tese abrem novas perspetivas no tratamento mais eficaz e menos invasivo das lesões da cartilagem, fornecendo expectativas de uma solução terapêutica com melhor relação custo-benefício relativamente às opções atuais.
TipodoctoralThesis
DescriçãoTese de Doutoramento em Medicina
URIhttp://hdl.handle.net/1822/59043
AcessoembargoedAccess (2 Years)
Aparece nas coleções:BUM - Teses de Doutoramento

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